基于RFID系统的双频微带天线设计

射频识别是一种自动识别技术，它通过射频执行非接触式双向数据通信，以识别目标并获取相关数据. 现在，RFID已渗透到人们日常生活的各个领域，并已成为一种通用技术. 它的应用包括物流，资产管理，人员访问控制等. RFID系统的基本组成包括两个部分: 阅读器和电子标签. 读取器天线和电子标签天线是用于实现读取器和电子标签之间的通信的空间物理接口. 工作频率是RFID系统最重要的性能参数. 在中国宣布的UHF频段中，RFID频率范围为840至845 MHz和920至925 MHz.

微带天线由于其薄的部分，小尺寸和低成本而被广泛用于无线通信系统中. 为了满足在840至845 MHz和920至925 MHz两个频带中工作的阅读器天线的要求，如果直接使用微带天线设计，则该天线具有相对较窄的频带，无法满足该要求. 两个频段. 一种新的设计思想是设计一个双频带微带天线，使其两个频带分别覆盖840-845 MHz和920-925 MHz的两个频带. 这样做的好处是，它不仅可以满足双频段的要求，而且可以一定程度地将两个频段之间的干扰和噪声滤除到阅读器的接收系统中.

这里采用多谐振方法通过微带天线的结构设计实现双频覆盖. 这样，结合使用E形天线和倒F天线（IFA）即可实现低回波双频微带天线. 天线谐振频率为850 MHz和920 MHz，VSWR = 1.09，带宽（VSWRlt; 2）满足频带覆盖的要求. 该天线在厚度为2 mm的FR4基板上制造，不仅尺寸小，而且易于协调和易于制造.

1.1倒F天线简介

典型的倒F天线（IFA）由放置在地面上的矩形平面单元，与地面平行的短路表面或短路引脚以及馈电单元组成，如图1所示. IFA本质上是偶极子的变形. 通过向下弯曲偶极子的上部使其平行于地面，可以降低天线的高度，但是平行于地面的部分会向天线引入电容电抗. 因此，有必要在天线结构中引入电感性短路表面或短路引脚以补偿这部分电容. IFA天线的接地具有重要作用，因为当IFA贴片上有电流时，它将引起接地电流被激励. 最终场由IFA贴片电流及其在地面上的镜像电流形成. 这就是IFA天线的工作原理.

共面倒F天线（PIFA）的结构，其通过将长端子的长开路与端子S的短短路并联连接，如图2所示. 传输线为H，传输线的阻抗Z0可以表示为:

在公式（1）中: ξ=120π是空气中的波阻抗. 根据传输线理论，输入阻抗为:

在式（2）中: β是传播常数. 根据公式（2），可以分别计算出长度为L的终端开路电抗和长度为S的短路电抗:

当忽略损耗时，天线的输入电阻为辐射电阻. 根据[8]，有:

当长度L =λ/ 4时，天线的输入电抗可以从公式（6）获得微带天线的工作原理，此时天线处于谐振状态:

从等式（7）可以看出，天线的输入阻抗是纯电阻，仅与天线的高度H有关. 从上面的推导中可以看出，对于IPFA的调整，可以通过调整长度L使其成为纯电阻来调整天线的输入阻抗. 然后可以通过将天线的高度H调整为50来改变天线的输入阻抗. Ω同轴线的馈线匹配.

1.2 E形天线

在普通的微带贴片单元的基础上，通过打开两个平行的凹槽来形成E形天线. 插槽的位置关于进给点对称. 通过调整缝隙的位置，长度和宽度，可以有效地增加微带天线的带宽. 根据文献[8]，普通的微带贴片天线可以等效于简单的LC谐振电路. L和C的值由在导体表面流动的电流的长度确定. 天线从单谐振LC电路更改为双谐振LC电路. 两个谐振电路耦合在一起以实现频带的加宽.

2天线设计与仿真

根据上述原理，如图1所示，通过结合E形天线和IFA天线，实现了双频微带天线. 3.根据文献[9，10]，有:

在公式中: W是天线的宽度； W是天线的宽度. c是光速； f是工作频率； εr是介质的相对介电常数.

天线的长度通常称为λg/2. λg是介质中的波长. 有:

谐振单元的长度为:

在公式（10）中，有效介电常数和△L可以根据以下公式计算:

上式中: εe是有效介电常数； h是介电基板的厚度.

天线的尺寸W和L可以从等式（8）至（12）估算. 然后，基于FDTD. Ansoft HFSS 10.0，经过仿真和优化，获得了如图3所示的天线模型. 仿真结果如图4所示. 天线的结构参数如表1所示.

从图3可以看出，微带天线由E形天线和共面IFA组成. 天线以2 mm的厚度和4.6的相对介电常数印刷在FR4基板上. 天线引入感应短路. 针偏移电容. 发现在调试过程中天线的性能对以下参数特别敏感: 缝隙的宽度对第二谐振点影响较大，其影响主要体现在谐振深度而不产生频率偏差. 短路销的位置影响第一谐振点. 它比较大，其影响主要反映在谐振深度而不会产生频率偏差. 凹槽之间的距离越近微带天线的工作原理，共振频率越大，但是对共振深度的影响很小.

从图4（a）可以看出，天线在850 MHz和920 MHz处谐振. 在谐振点，VSWR = 1.09，带宽（VSWRlt; 2）为840〜860 MHz和910〜930 MHz，完全满足UHF China频段要求. 从图2和图3的图案可以看出. 从图4（b）至（e）可以看出，天线的后瓣无论是在850 MHz还是在920 MHz处都较小，从而实现了天线的高前后抑制比.

3个结论

设计一种新颖的双频微带天线，以满足与840〜845 MHz和920〜925 MHz双频段兼容的UHF频段RFID阅读器天线的要求. 仿真和测试结果表明，该天线在850 MHz和920 MHz的两个频率点谐振. 两个谐振点的带宽（VSWRlt; 2）满足覆盖840至845 MHz和920至925 MHz双频带的要求. 下背叶.

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